C-V測量
各種各樣的應用通常要在許多類型的器件上執行電容-電壓(C-V) 和AC阻抗測量。例如，C-V 測量用來確定以下器件參數：
- MOSCAPs的柵極氧化物電容
- MOSFET輸入和輸出電容
- 太陽能電池的內建電場
- 二極管的多數載流子濃度
- BJT端子間的電容
- MIS電容器的氧化物厚度、摻雜密度和閥值電壓
此前我們介紹了使用最新4215-CVU輕松測量飛法電容，這次聊聊怎樣使用適當的測量技術和CVU電容電壓單元進行最優的電容測量。
4215-CVU和4210-CVU都是適用于4200A-SCS參數分析儀的多頻(1 kHz ~ 10 MHz) AC阻抗測量模塊( 參見圖1)，讓用戶能夠輕松進行C-V 測量。這兩種CVU 之間的差異在于測試頻率數量和AC驅動電壓。4215-CVU擁有10,000個不同頻率，分辨率為1 kHz；4210-CVU擁有37個不同頻率。4215-CVU的AC驅動電壓范圍是10 mV ~ 1 V rms，4210-CVU的AC驅動電壓范圍是10 mV ~ 100mV rms。
圖1. 4200A-SCS 參數分析儀
CVUs采用獨特的電路設計，通過Clarius軟件控制，支持多種特性和診斷工具，確保測量結果的準確度達到最高。CVU擁有多種內置工具，如實時測量模式、開路/ 短路補償、參數提取生成器、濾波、定時控制，并能夠在軟件中切換AC電流表端子。除這些工具外，它還采用適當的線纜和C-V測量技術，用戶可以進行高度靈敏的電容測量。
CVU測量概述
圖2是簡化的4210-CVU和4215-CVU模型。器件的電容通過提供AC電壓，測量AC電流和相位來確定，同時在器件中應用或掃描DC電壓。
圖2. 簡化的CVU圖
時域AC值被處理到頻域中，生成相量形式的阻抗。我們可以使用下面的公式，從AC阻抗和測試頻率中計算出器件電容：
CVU使用自動平衡電橋(ABB) 方法測量電容。ABB用來抵消DUT 一個端子( 如果AC電流表在LCUR上則為LPOT) 上已知頻率的AC信號，以警戒雜散阻抗。這個AC接地會把CVU的LPOT保持在0 VAC，這樣測試電路中的所有AC電流都會流到AC電流表，而不會經過測試電路中的任何并聯電容。
根據測試設置，包括頻率、AC驅動電壓和電流范圍，CVU可以測量皮法級到毫法級電容。用戶指定的測試范圍取決于被測器件和導出的參數。測試頻率范圍為 1kHz~10MHz。DC 偏置功能是 ±30V(60V差分 )。
測量模型和參數
DUT測量的典型模型通常是一條串聯或并聯電阻電容(RC) 電路。如圖3中簡化的模型所示，CVU既可以作為串聯配置(RSCS) 測量DUT，也可以作為并聯配置(RPCP) 測量DUT。
圖3. 簡化的測量模型
CVU可以測量和顯示以下參數：
阻抗和相位角(Z,Theta)
電阻和電抗 (R+jX)
并聯電容和電導(CP-GP)
串聯電容和電阻(CS-RS)
并聯電容和雜散因子 (CP-D)
串聯電容和雜散因子(CS-D)
導納和相位角(Y,theta)
圖4. 阻抗的矢量圖
通過使用Clarius內置的Formulator工具，還可以從測得的數據中簡便地提取其他參數，如電感。圖4中的阻抗矢量圖顯示了阻抗的基礎公式。
AC阻抗測量系統
如圖5所示，C-V測量系統可能會相當復雜，因為配置中包括測量儀器和軟件、信號路徑線藍、測試夾具和器件。為進行最優測量，必需相應設置CVU的測試設置和定時參數。必須使用適當的線纜、探頭和測試夾具，然后必須執行連接補償。最后，器件本身可能會導致測量問題。下面幾節將討論進行良好的電容測量需要考慮的硬件和軟件。
圖5. C-V測量系統
線纜和連接
本節介紹了怎樣使用適當的線纜和連接，怎樣保護卡盤和器件端子，以及怎樣配置AC電流表端子。
適當的線纜
為獲得最好的測量結果，應只使用隨機自帶的紅色SMA電纜連接到CVU。隨機自帶的附件如下：
● 4條CA-447A SMA到SMA 1.5米電纜(紅色）
● 4條CS-1247 SMA到BNC轉接頭
● 2條CS-701A BNC T形裝置
● 1個扭矩扳手，用來緊固SMA電纜連接
圖6. 2線傳感的CVU連接圖
隨機自帶的附件可以通過BNC或SMA連接，來連接測試夾具或探頭。圖6顯示了CVU以及為2線傳感配置的隨機自帶的附件。CS-1247 SMA到BNC轉接頭連接到每條CA-447A SMA到SMA電纜。HCUR和HPOT端子通過CS-701A BNC T形裝置連接，構成CVH；LCUR和LPOT連接在一起，構成CVL。使用隨機自帶的扭矩扳手，緊固SMA電纜連接，確保接觸良好。紅色SMA電纜為100Ω。并聯的兩條100Ω電纜是50Ω，這是高頻源測量應用的標準配置。
圖7. 從CVU正確連接到DUT
圖7是DUT 4線傳感實例。在本例中，HCUR和HPOT端子連接到器件的一端，LPOT和LCUR端子連接到器件的另一端。為了改善帶寬，我們把同軸電纜的外部屏蔽層連接到金屬測試夾具上。我們使用到器件的4線連接，通過盡可能靠近器件傳感電壓，來簡化靈敏的測量。
四條同軸電纜每條電纜的外部屏蔽層必須盡可能近地連接到器件上，以使屏蔽層的環路面積達到最小。同軸電纜的外部屏蔽層還應連接到金屬測試夾具上，以降低來自外部源的噪聲和耦合。這降低了電感，有助于降低諧振效應，這種效應在1MHz以上的頻率時可能會帶來負擔。
圖8. 連接兩個控制裝置公共部分的接地跳線
圖8是連接兩個探頭電纜組件公共部分的跳線。吉時利儀器公司擁有一系列4210-MMPC多測量電纜套件，適用于各種探頭，可以實現各種控制裝置的常用連接。
